電路特性的研究

1、.電路特性的研究【教學目的】 1、了解并觀察電路的各種特性2、了解和熟悉半波整流和橋式整流電路以及低通濾波電路的特性【教學重點】1、觀測和RL串聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性2、了解串聯(lián)、并聯(lián)電路的相頻特性和幅頻特性3、觀察和研究電路的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振現(xiàn)象4、觀察和RL電路的暫態(tài)過程，理解時間常數(shù)的意義5、觀察串聯(lián)電路的暫態(tài)過程及其阻尼振蕩規(guī)律【教學難點】電路各特性的產(chǎn)生原理及規(guī)律【課程講授】提問1、 什么是電路的穩(wěn)態(tài)特性？2、 什么是電路的暫態(tài)特性？一、實驗原理（一）串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性1、串聯(lián)電路的頻率特性 圖1串聯(lián)電路在圖1所示電路中，電阻、電容的電壓有以下關(guān)系式： 圖2 RC串聯(lián)電路的相頻

2、特性其中為交流電源的角頻率，為交流電源的電壓有效值，為電流和電源電壓的相位差，它與角頻率的關(guān)系見圖2可見當增加時，I和增加，而減小。當很小時-/2，很大時0。2、低通濾波電路如圖3所示，其中為輸入電壓，為輸出電壓，則有它是一個復數(shù)，其模為：設,則由上式可知：=0時，=0時時可見隨的變化而變化，并當有0時，變化較小，0時，明顯下降。這就是低通濾波器的工作原理，它使較低頻率的信號容易通過，而阻止較高頻率的信號通過。圖3 低通濾波器 圖4 高通濾波器3、高通濾波電路高通濾波電路的原理圖見圖4根據(jù)圖4分析可知有：同樣令,則：=0時，=0時，時可見該電路的特性與低通濾波電路相反，它對低頻信號的衰減較大，

3、而高頻信號容易通過，衰減很小，通常稱作高通濾波電路。（二）、串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)特性串聯(lián)電路如圖5所示 圖5 串聯(lián)電路 圖6 串聯(lián)電路的相頻特性可見電路中、 、有以下關(guān)系： ,可見電路的幅頻特性與電路相反，增加時，、減小則增大。它的相頻特性見圖6。由圖6可知，很小時0，很大時/2（三）、電路的穩(wěn)態(tài)特性在電路中如果同時存在電感和電容元件，那么在一定條件下會產(chǎn)生某種特殊狀態(tài)，能量會在電容和電感元件中產(chǎn)生交換，我們稱之為諧振現(xiàn)象。1、串聯(lián)電路在如圖7所示電路中，電路的總阻抗，電壓、和之間有以下關(guān)系：其中為角頻率，可見以上參數(shù)均與有關(guān)，它們與頻率的關(guān)系稱為頻響特性，見圖8。 圖7 串聯(lián) 圖8(a) 串聯(lián)電路的

4、阻抗特性圖8(b) 串聯(lián)電路的幅頻特性 圖8(c) 串聯(lián)電路的相頻特性由圖8可知，在頻率處阻抗值最小，且整個電路呈純電阻性，而電流達到最大值，我們稱為串聯(lián)電路的諧振頻率(0為諧振角頻率)。從圖8還可知，在的頻率范圍內(nèi)值較大，我們稱為通頻帶。上面我們推導出 (0)和另一個重要的參數(shù)品質(zhì)因數(shù)。當時，由上述三式可知,這時的電感上的電壓電容上的電壓或與的比值稱為品質(zhì)因數(shù)?？梢宰C明, 2、并聯(lián)電路在圖9所示的電路中有 圖9 RLC并聯(lián)電路可以求得并聯(lián)諧振角頻率可見并聯(lián)諧振頻率與串聯(lián)諧振頻率不相等(當值很大時才近似相等)。圖10給出了并聯(lián)電路的阻抗、相位差和電壓隨頻率的變化關(guān)系。圖10 并聯(lián)電路的阻抗特性

5、、幅頻特性、相頻特性和串聯(lián)電路似，品質(zhì)因數(shù)由以上分析可知串聯(lián)、并聯(lián)電路對交流信號具有選頻特性，在諧振頻率點附近，有較大的信號輸出，其它頻率的信號被衰減。這在通信領(lǐng)域，高頻電路中得以了非常廣泛的應用。（四）、串聯(lián)電路的暫態(tài)特性電壓值從一個值跳變到另一個值稱為階躍電壓在圖11所示電路中當開關(guān)合向“1”時，設中初始電荷為0，則電源通過電阻對充電，充電完成后，把打向“2”，電容通過放電，其充電方程為：放電方程為可求得充電過程時放電過程時 圖11 串聯(lián)電路的暫態(tài)特性由上述公式可知、和i均按指數(shù)規(guī)律變化。令，稱為電路的時間常數(shù)。值越大，則變化越慢，即電容的充電或放電越慢。圖12給出了不同值的變化情況，其中

6、。圖12 不同值的UC變化示意圖（五）、串聯(lián)電路的暫態(tài)過程在圖13所示的串聯(lián)電路中，當打向“1”時，電感中的電流不能突變，打向“2”時，電流也不能突變?yōu)?，這兩個過程中的電流均有相應的變化過程。類似串聯(lián)電路，電路的電流、電壓方程為電流增長過程電流消失過程其中電路的時間常數(shù) 圖13 串聯(lián)電路的暫態(tài)過程 圖14 串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（六）、串聯(lián)電路的暫態(tài)過程在圖14所示的電路中，先將打向“1”，待穩(wěn)定后再將打向“2”，這稱為串聯(lián)電路的放電過程，其電路方程為初始條件為，=,，這樣方程的解一般按值的大小可分為三種情況:1、,為欠阻尼其中,2、時，過阻尼其中,3、時，臨界阻尼，。圖15為這三種情況下的變化

7、曲線，其中1為欠阻尼，2為過阻尼，3為臨界阻尼。 圖15放電時的UC曲線示意圖 圖16充電時的UC曲線示意圖如果當時，則曲線1的振幅衰減很慢，能量的損耗較小。能夠在與之間不斷交換，可近似為電路的自由振蕩，這時，為時回路的固有頻率。對于充電過程，與放電過程相類似，只是初始條件和最后平衡的位置不同。圖16給出了充電時不同阻尼的變化曲線圖。（七）、整流濾波電路常見的整流電路有半波整流、全波整流和橋式整流電路等。這里介紹半波整流電路和橋式整流電路。1、半波整流電路如圖17所示為半波整流電路，交流電壓經(jīng)二極管后，由于二極管的單向?qū)щ娦?，只有信號的正半周能夠?qū)?，在上形成壓降，負半周截止。電容并?lián)于兩端，

8、起濾波作用。在導通期間，電容充電；截止期間，電容放電。用示波器可以觀察接入和不接入電路時的差別，以及不同值和值時的波形差別，不同電源頻率時的差別。2、橋式整流電路如圖18所示電路為橋整流電路。在交流信號的正半周，、導通，、截止；負半周、導通，、截止，所以在電阻上的壓降始終為上“十”下“一”，與半波整流相比，信號的另半周也有效的利用了起來，減小了輸出的脈動電壓。電容同樣起到濾波的作用。用示波器比較橋式整流與半波整流的波形區(qū)別。 圖17半波整流電路 圖18橋式整流電路二、實驗儀器1、FB318型電路實驗儀2、雙蹤示波器3、數(shù)字存儲示波器(選用)三、實驗步驟（一）、串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性1、串聯(lián)電路的幅

9、頻特性選擇正弦波信號，保持其輸出幅度不變，分別用示波器測量不同頻率時的、，可取，也可根據(jù)實際情況自選、參數(shù)。用雙通道示波器觀測時可用一個通道監(jiān)測信號源電壓，另一個通道分別測、，但需注意兩通道的接地點應位于線路的同一點，否則會引起部分電路短路。2、串聯(lián)電路的相頻特性將信號源電壓和分別接至示波器的兩個通道，可取， (也可自選)。從低到高調(diào)節(jié)信號源頻率，觀察示波器上兩個波形的相位變化情況，先可用李薩如圖形法觀測，并記錄不同頻率時的相位差。（二）、串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性測量串聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性與串聯(lián)電路時方法類似，可選，也可自行確定。（三）、串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性自選合適的值、值和值，用示波器的兩個通

10、道測信號源電壓和電阻電壓，必須注意兩通道的公共線是相通的，接入電路中應在同一點上，否則會造成短路。1、幅頻特性保持信號源電壓不變(可取V),根據(jù)所選的、值，估算諧振頻率，以選擇合適的正弦波頻率范圍。從低到高調(diào)節(jié)頻率，當?shù)碾妷簽樽畲髸r的頻率即為諧振頻率，記錄下不同頻率時的大小。2、相頻特性用示波的雙通道觀測的相位差，的相位與電路中電流的相位相同，觀測在不同頻率上的相位變化，記錄下某一頻率時的相位差值。（四）、并聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性按圖9進行連線，注意此時為電感的內(nèi)阻，隨不同的電感取值而不同，它的值可在相應的電感值下用直流電阻表測量，選取、。也可自行設計選定。注意的取值不能過小，否則會由于電路中的總電

11、流變化大而影響的大小。1、并聯(lián)電路的幅頻特性保持信號源的值幅度不變(可取為25V)，測量和的變化情況。注意示波器的公共端接線，不應造成電路短路。2、并聯(lián)電路的相頻特性用示波器的兩個通道，測與的相位變化情況。自行確定電路參數(shù)。（五）、串聯(lián)電路的暫態(tài)特性如果選擇信號源為直流電壓，觀察單次充電過程要用存儲式示波器。我們選擇方波作為信號源進行實驗，以便用普通示波器進行觀測。由于采用了功率信號輸出，故應防止短路。1、選擇合適的和值，根據(jù)時間常數(shù)，選擇合適的方波頻率，一般要求方波的周期T10，這樣能較完整地反映暫態(tài)過程，并且選用合適的示波器掃描速度，以完整地顯示暫態(tài)過程。2、改變值或值，觀測或的變化規(guī)律，

12、記錄下不同值時的波形情況，并分別測量時間常數(shù)3、改變方波頻率，觀察波形的變化情況，分析相同的值在不同頻率時的波形變化情況。（六）、電路的暫態(tài)過程選取合適的與值，注意的取值不能過小，因為存在內(nèi)阻。如果波形有失真、自激現(xiàn)象，則應重新調(diào)整值與值進行實驗，方法與串聯(lián)電路的暫態(tài)特性實驗類似。（七）、串聯(lián)電路的暫態(tài)特性1、先選擇合適的、值，根據(jù)選定參數(shù)，調(diào)節(jié)值大小。觀察三種阻尼振蕩的波形。如果欠阻尼時振蕩的周期數(shù)較少，則應重新調(diào)整、值。2、用示波器測量欠阻尼時的振蕩周期T和時間常數(shù)。值反映了振蕩幅度的衰減速度，從最大幅度衰減到0.368倍的最大幅度處的時間即為值。（八）、整流濾波電路的特性觀測1、半波整流按圖17原理接線，選擇正弦波信號作電源。先不接入濾波電容，觀察與的波形。再接入不同容量的值。觀察波形的變化情況。2、橋式整流按圖18原理接線，先不接入濾波電容，觀察波形，再接入不同容量的值。觀察波形的變化情況，并與半波整流比較有何區(qū)別。四、數(shù)據(jù)處理1、根據(jù)測量結(jié)果作串聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性圖。2、根